化学新材料石墨烯及其复合材料与环境治理

摘要：石墨烯是一种具有独特的二维空间结构的碳纳米材料，由于其优异的机械性能、导电性、密度低、高比表面积和特殊的多孔结构等性质，自2004年因其在纳米技术和环保方面具有极大潜力而成为新材料的研究热点。石墨烯复合材料，不仅保持了石墨烯本身优良的物理化学性质，同时还具有掺杂的化合物材料的优势，是石墨烯应用领域重要的研究方向。近年来，石墨烯复合材料在环境治理方面的也表现出来了巨大的潜力。本文综述了石墨烯及其复合材料的优异特性及其在环境治理的应用，主要介绍了石墨烯复合材料利用吸附处理水中的重金属离子、有机污染物等；其次，阐述了石墨烯及其复合材料电化学传感器领域中的国内外研究进展及主要成果，最后对其在环境领域中的应用前景进行展望。

关键词：石墨烯；复合材料；环境治理；吸附；有机污染物

随着社会的发展，环境问题日益加重，威胁着人类社会和生态环境，引起了世界的广泛关注。水溶性毒性污染物中重金属离子污染物和有机污染物以及毒性的温室气体具有环境持久性和较强的生物毒性，是影响环境安全的重要因素。因此，对于环境中的污染物的去除是迫在眉睫的。石墨烯及其复合材料能够在环境领域得以应用主要依赖于以下几方面的优异特性：（１）石墨烯的超大比表面积有助于吸附污染物并能提供丰富的反应位点；（２）高导电性能促进电子转移，有利于石墨烯及其复合材料光电化学反应的进行，从而提高光电催化活性。（３）石墨烯表面具有的官能团与掺杂的元素之间能够形成协同作用，提高了与目标污染物的反应速率。

1.石墨烯复合材料吸附作用在水治理的应用

①吸附离子型污染物。处理重金属离子的最有效的方法是吸附作用。石墨烯复合物具有较大的比表面积和表面功能基团较多，能够成为较好的吸附剂。

Chandra等首次利用石墨烯复合材料去除水溶液中的砷离子。10nm的Fe3O4分散在还原氧化石墨烯片层上，在室温下表现出超顺磁性。此复合物去除水溶液中的As3+和As5+的效率可以达到99.9%；并且材料本身具有磁性，因此很容易从水溶液中分离富集。通过非共价相互作用合成的石墨烯-聚吡咯复合材料，具有高的比表面积和多孔性，可以从水溶液中有选择性的去除Hg2+，这是因为含有杂原子的高分子对于阳离子有很大的静电吸引力。

②吸附有机污染物。石墨烯复合材料也成功的应用于染料、多芳香环烃和汽油的吸附。吸附的机理是物理吸附，吸附能力取决于石墨烯复合材料的表面积。Fan组发现，由于亚甲基蓝和氨基酸之间的静电相互作用，因此利用磁性-壳聚糖-石墨烯的复合材料可以大大提高去除溶液中的亚甲基蓝的效率，吸附能力达到95.16mg/g。石墨烯复合物的高比表面积和多孔性在吸附染料方面起到了关键的作用，独特的结构有利于染料分子快速扩散，使得染料分子高效去除。

石墨烯具有低成本、溶液的可加工性和独特的结构，也常被用于制备去除石油泄漏和化学品排放的超疏水和超亲油的材料。研究已经报道，将石墨烯与三聚氰胺复合可以形成石墨烯的多孔折叠复合材料，此材料具有超疏水的性质，能够用于吸附油和有机污染物。这种超疏水的材料应用的优势是，在没有外加作用力的情况下，就可以将其进行富集，从而可以循环使用。

２.石墨烯及其复合材料在电化学传感器环境领域的应用

环境中的污染物需要灵敏、便捷的检测设备进行实时检测，而传感器是决定检测设备灵敏度的关键。传感器的电化学电极由特殊材料制成，学界不断研发高性能的电极材料以提高传感器的灵敏度、稳定性、选择性、检测范围。研究发现石墨烯传感器可以用于检测水体中的金属离子和有机物。

石墨烯复合电极材料可以用于检测大部分重金属离子，如Zn２＋ 、Ｈｇ２＋ 、Ｃｄ２＋ 、Ｃｕ２＋ 、Ｐｂ２＋ 等。张晓清等利用石墨烯修饰玻碳电极来检测水中Ｃd２＋，发现其性能较好。石墨烯修饰电极对Ｃｄ２＋ 的响应是裸电极的3.1倍，表明石墨烯使其对重金属离子的检测性能明显提高。石墨烯能够提高传感器灵敏度的主要原因包括３个方面：（1）石墨烯的比表面积大，对重金属离子有较强的吸附作用，同时能为电化学反应提供丰富的反应位点；（2）石墨烯 的导电性强，能迅速传导电化学信号；（3）石墨烯部分残留含氧基团与重金属离子的耦合和静电吸引对重金属离子检测有明显促进作用。

石墨烯复合电极材料也可应用于有机物检测，如蛋白质、葡萄糖、抗坏血酸、硝基甲烷、三硝基甲苯、氨基酚等。ＭＹＥＲＳ等将石墨烯氨基化处理后制备了复合材料电极，用于检测废水中苯系物，结果表明在５～１００ｍｇ／Ｌ内具有很好的线性度，使用含氮物质改性后的石墨烯复合电极材料对有机物的检测性能得到明显提高。氮掺杂石墨烯在检测有机物的过程中主要起到的促进作用有：（1）含氮基团的引入增强了对有机物的静电吸附作用；（2）氮有助于提高石墨烯 的导电性；（3）氮还改变了石墨烯的电子结构，进而增强了电催化作用。

３.总结与展望

与常规材料相比，石墨烯及其复合材料的性能明显提升，在环境领域的应用已经取得了一定的成效。但是，由于复合材料制备成本和稳定性等因素的制约，目前石墨烯及其复合材料大部分仍停留在在实验室研究阶段，未在实际工程中大规模应用。因此成本低、品质高的石墨烯及其复合材料仍有待研发。石墨烯复合材料的改性机理需要深入研究，为复合材料改性提供理论依据。随着科学技术的发展，石墨烯及其复合材料将会在环境领域发挥更大的作用，进一步提高环境污染治理效率。科技的进步是一把双刃剑，近年来随着石墨烯的大量生产与使用，其不可避免会进入到水体、土壤、大气及生物体中。这有可能会给人类健康、生态环境带来风险，因此需要引起足够的重视。

目前，主要关注的是对于水溶液污染物，例如重金属离子、油类和有机溶剂等的去除，对于一些无机盐的阴离子的去除研究较少。此外，虽然对于大气污染已有相关报道，但是都只是停留在实验阶段，离真正的实际应用还有很长的一段路要走。因此，需要对石墨烯在环境中的行为和归趋进行深入研究，科学评价石墨烯带来的环境风险，为石墨烯的合理利用、排放、后期处理提供参考依据。

【参考文献】：

[1] 傅强，包信和.石墨烯的化学研究进展[J]．中国科学，2009,18(54):2657-2666.

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